شاخص گرانروی روغن

شاخص گرانروی روغن یا Viscosity Index که به‌اختصار VI نوشته می‌شود، عددی بدون واحد است که میزان تغییر گرانروی سینماتیک روغن در اثر تغییر دما را نشان می‌دهد. هرچه VI بالاتر باشد، گرانروی روغن با تغییر دما کمتر تغییر می‌کند. اما این عدد با درجه گرانروی SAE مانند 5W-30 یا 10W-40 یکسان نیست. برای محاسبه شاخص گرانروی روغن طبق ASTM D2270، ابتدا گرانروی سینماتیک نمونه در دماهای ۴۰ و ۱۰۰ درجه سلسیوس اندازه‌گیری و سپس با روابط و جداول استاندارد محاسبه می‌شود. در این مقاله، نکات عملی اندازه‌گیری و خطاهای رایج آزمایشگاه را بررسی می‌کنیم.

نیک ابزار آزما تولید کننده تجهیزات اندازه‌گیری گرانروی و تجهیزات آزمایشگاهی کنترل کیفیت روغن است. برای انتخاب دستگاه مناسب متناسب با نوع نمونه و استاندارد مورد نیاز، از کارشناسان ما مشاوره دریافت کنید.

شاخص گرانروی روغن چیست؟

شاخص گرانروی (Viscosity Index) یک معیار بین‌المللی برای سنجش وابستگی دمایی گرانروی سیالات روانکار است. به زبان ساده‌تر، VI نشان می‌دهد که گرانروی یک روغن با گرم یا سرد شدن چقدر تغییر می‌کند.

• VI پایین به این معنا است که گرانروی روغن با تغییر دما به‌ شدت تغییر می‌کند. در سرما بسیار غلیظ و در گرما بسیار رقیق می‌شود.

• VI بالا نشان می‌دهد که روغن در دامنه وسیعی از دما، گرانروی نسبتا پایداری دارد.

اهمیت این ویژگی در روانکاری طی دامنه دمایی گسترده از استارت سرد در زمستان تا دمای کاری بالای موتور غیر قابل‌ انکار است. VI بالاتر نشان می‌دهد گرانروی سینماتیک روغن در فاصله دمایی مرجع، نسبت به روغنی با VI پایین‌تر کمتر تغییر می‌کند. اما VI به‌ تنهایی تضمین‌کننده پمپاژ مناسب در سرما یا تشکیل فیلم کافی در دمای بالا نیست. برای این ارزیابی باید گرید SAE و نتایج آزمون‌هایی مانند CCS، MRV، KV100 و HTHS نیز بررسی شوند.

نیک ابزار آزما انواع تجهیزات اندازه‌گیری گرانروی مورد استفاده در آزمایشگاه‌های کنترل کیفیت روغن را طراحی و تولید می‌کند.

تفاوت شاخص گرانروی، گرانروی و درجه گرانروی روغن موتور

یکی از رایج‌ترین اشتباهات، یکی دانستن درجه گرانروی روغن موتور با دو مفهوم دیگر است. در ادامه تفاوت هر کدام را بررسی می‌کنیم.

تفاوت VI با مقدار گرانروی

گرانروی سینماتیک (مانند (mm²/s) ۶۸  در ۴۰ درجه) یک کمیت فیزیکی با واحد است که مقاومت سیال در برابر جریان را نشان می‌دهد. اما شاخص گرانروی VI یک عدد بدون واحد است که رفتار تغییرات گرانروی را نسبت به دما توصیف می‌کند. یک روغن می‌تواند گرانروی بالایی در ۴۰ درجه داشته باشد اما VI پایین، یا برعکس این باشد.

تفاوت VI با درجه SAE مانند 5W-30

درجه گرانروی SAE (موسسه مهندسان خودرو) یک طبقه‌ بندی عملکردی برای روغن‌های موتور است که محدوده قابل‌ قبول گرانروی در دماهای سرد و گرم را مشخص می‌کند. اما VI صرفا میزان تغییر گرانروی با دما را نشان می‌دهد، نه خود گرانروی در یک دمای خاص.

توجه داشته باشید که عبارت 10W-40 دو شاخص گرانروی نیست. عدد قبل از W بیانگر درجه زمستانی روغن است و بر اساس حدود آزمون‌های استارت و پمپاژ در دماهای پایین تعیین می‌شود. عدد بعد از W نیز درجه گرانروی روغن در دمای بالا را نشان می‌دهد و بر اساس محدوده گرانروی سینماتیک در ۱۰۰ درجه سلسیوس و حداقل گرانروی HTHS تعیین می‌شود، هیچ‌کدام VI نیستند.

تفاوت درجه SAE با سطح کیفیت API

SAE فقط گرانروی را طبقه‌بندی می‌کند، اما API (موسسه نفت آمریکا) سطح کیفیت عملکردی روغن را از نظر محافظت از موتور، مقاومت در برابر اکسیداسیون و غیره مشخص می‌کند. یک روغن می‌تواند SAE 5W-30 باشد اما API SP یا API SL – این دو کاملا مستقل از هم هستند.

مشخصه	چه چیزی را نشان می‌دهد؟	نمونه
گرانروی سینماتیک	مقاومت جریان روغن در دمای مشخص	(mm²/s)۶۸ در ۴۰°C
شاخص گرانروی VI	میزان تغییر گرانروی با دما	VI = ۱۴۵
درجه گرانروی SAE	رده عملکرد گرانروی روغن موتور	SAE 5W-30
سطح کیفی API	الزامات عملکردی روغن موتور	API SP

چرا شاخص گرانروی روغن اهمیت دارد؟

شاخص گرانروی در یکسری موارد اهمیت می‌یابد که در ادامه به بررسی ‌آن‌ها می‌پردازیم.

حفظ فیلم روانکار در دمای بالا

در دمای کاری بالا، گرانروی روغن کاهش می‌یابد. اگر VI پایین باشد، این کاهش شدیدتر است و ممکن است فیلم روانکار آنقدر نازک شود که نتواند از قطعات در برابر سایش محافظت کند. VI بالاتر می‌تواند به کاهش افت گرانروی با افزایش دما کمک کند، اما کافی بودن فیلم روانکار باید همراه با KV100، گرانروی HTHS و الزامات کاربرد ارزیابی شود.

پمپاژ و گردش روغن هنگام کاهش دما

در استارت سرد، روغن با VI پایین بسیار غلیظ می‌شود و پمپاژ آن دشوار می‌گردد. این موضوع می‌تواند تا چند ثانیه حیاتی، قطعات موتور را بدون روانکار رها کند. VI بالاتر به‌تنهایی روانی و پمپاژ مناسب در سرما را تضمین نمی‌کند؛ برای این موضوع باید گرید زمستانی SAE و نتایج آزمون‌های CCS و MRV نیز بررسی شوند.

کنترل کیفیت فرمولاسیون روغن موتور

VI یکی از پارامترهای کلیدی در کنترل کیفیت تولید روغن است. انحراف VI از محدوده تعیین ‌شده می‌تواند نشان‌دهنده مشکل در فرایند تولید، کیفیت روغن پایه یا میزان افزودنی‌ها باشد.

مقایسه روغن‌های پایه و محصولات نهایی

روغن‌های پایه گروه‌های مختلف (گروه I تا IV) دارای VIهای متفاوتی هستند. روغن‌های پایه گروه III و IV (سنتتیک) معمولاً VI بالاتری نسبت به روغن‌های معدنی دارند. بنابراین VI ابزاری برای مقایسه و انتخاب روغن پایه مناسب است.

بررسی عملکرد بهبود دهنده شاخص گرانروی

افزودنی‌های پلیمری معروف به VI Improver برای افزایش VI به روغن اضافه می‌شوند. اندازه‌گیری VI قبل و بعد از افزودن این مواد، عملکرد آن‌ها را نشان می‌دهد. همچنین تغییر VI در روغن کارکرده می‌تواند نشانه‌ای از تخریب برشی این افزودنی‌ها باشد. با این‌حال، آلودگی، اختلاط روغن، رقیق‌شدن با سوخت، اکسیداسیون و خطای اندازه‌گیری KV40 یا KV100 نیز باید بررسی شوند.

هر روغنی که VI بیشتری دارد، قطعا باکیفیت‌تر نیست. VI فقط یکی از مشخصه‌هاست و باید همراه گرید، کاربرد، پایداری برشی، اکسیداسیون، فراریت و الزامات عملکردی محصول تفسیر شود.

شاخص گرانروی روغن چگونه تعیین می‌شود؟

تعیین VI یک فرایند دو مرحله‌ای است که در آزمایشگاه‌های معتبر با رعایت استانداردهای بین‌المللی انجام می‌شود.

اندازه‌گیری KV40

گرانروی سینماتیک نمونه در دمای دقیق ۴۰ درجه سلسیوس بر اساس استاندارد ASTM D445 اندازه‌گیری می‌شود. در این روش، زمان عبور حجم مشخصی از نمونه از درون ویسکومتر موئین کالیبره ثبت می‌شود. ضرب این زمان در ثابت ویسکومتر، گرانروی سینماتیک را بر حسب mm²/s (cSt) می‌دهد.

اندازه‌گیری KV100

همان نمونه در دمای ۱۰۰ درجه سلسیوس و با همان روش اندازه‌گیری می‌شود. این دو دما به‌دلیل اهمیت آن‌ها در کاربردهای صنعتی و خودرویی به‌عنوان دماهای مرجع استاندارد انتخاب شده‌اند.

محاسبه VI طبق ASTM D2270

پس از اندازه‌گیری KV40 و KV100، شاخص گرانروی طبق استاندارد ASTM D2270 محاسبه می‌شود.

نکته بسیار مهم این است که دستگاه، VI را مستقیما اندازه‌گیری نمی‌کند. داده لازم برای محاسبه آن (KV40 و KV100) را تولید می‌کند. روش D445 بر عبور نمونه از ویسکومتر موئین کالیبره در دمای کنترل‌ شده متکی است.

فرمول محاسبه شاخص گرانروی روغن

در این مورد، ابتدا باید با تعریف نمادها آشنا شویم:

• U: گرانروی سینماتیک نمونه در ۴۰ درجه (KV40)

• Y: گرانروی سینماتیک نمونه در ۱۰۰ درجه (KV100)

• L: گرانروی سینماتیک در ۴۰ درجه یک روغن مرجع با VI برابر صفر و KV100 برابر با Y

• H: گرانروی سینماتیک در ۴۰ درجه یک روغن مرجع با VI برابر ۱۰۰ و KV100 برابر با Y

محاسبه برای VI برابر یا کمتر از ۱۰۰

فرمول اصلی مطابق نسخه معتبر استاندارد:

VI = ((L − U) / (L − H)) × 100

محاسبه برای VI بیشتر از ۱۰۰

برای VI بالاتر از ۱۰۰، از رابطه لگاریتمی استفاده می‌شود:

VI = ((10^N − 1) / 0.00715) + 100

که در آن:

N = (log H − log U) / log Y

محاسبه VI بالاتر از ۱۰۰ با همان فرمول ساده انجام نمی‌شود. استفاده از فرمول اشتباه یکی از رایج‌ترین خطاها در محاسبه VI است.

مقادیر H و L چگونه تعیین می‌شوند؟

مقادیر H و L از جدول‌های استاندارد ASTM D2270 استخراج می‌شوند. این مقادیر بر اساس KV100 (Y) تعیین و در صورت لزوم درون‌یابی می‌شوند. هرگز نباید از داده‌هایی با واحدهای متفاوت استفاده کرد؛ هر دو مقدار KV40 و KV100 باید با واحد یکسان (mm²/s یا cSt) وارد شوند.

طبق ASTM D2270، شاخص گرانروی برای فرآورده‌هایی که گرانروی سینماتیک آن‌ها در ۱۰۰ درجه سلسیوس کمتر از (mm²/s) ۲.۰ است، تعریف و گزارش نمی‌شود. برای مقادیر KV100 بیشتر از (mm²/s) ۷۰ نیز باید از روابط مخصوص استاندارد استفاده شود.

مثال عملی محاسبه شاخص گرانروی

در مثال استاندارد، نمونه‌ای دارای مشخصات زیر است:

پارامتر	مقدار
KV40 (U)	۷۳.۳۰ mm²/s
KV100 (Y)	۸.۸۶ mm²/s
L (از جدول ASTM D2270)	۱۱۹.۹۴ mm²/s
H (از جدول ASTM D2270)	۶۹.۴۸ mm²/s

محاسبه آن به صورت زیر است:

VI = ((۱۱۹.۹۴ − ۷۳.۳۰) / (۱۱۹.۹۴ − ۶۹.۴۸)) × ۱۰۰ ≈ ۹۲

در این مثال، شاخص گرانروی محاسبه‌شده برابر ۹۲ است.

جدول تفسیر شاخص گرانروی روغن

به‌جای ارائه یک طبقه‌بندی قطعی و جهانی، جدول تفسیر عمومی زیر ارائه می‌شود.

وضعیت VI	تفسیر کلی
زیر ۹۰	تغییر زیاد گرانروی در برابر تغییر دما
۹۰ تا ۱۱۰	پایداری دمایی متعارف برای برخی کاربردها
۱۱۰ تا ۱۴۰	تغییر کم گرانروی در دامنه دمایی
بالای ۱۴۰	معمولاً مرتبط با روغن‌های پایه خاص یا استفاده از VI Improver

مناسب‌ بودن عدد VI به نوع روغن، فرمولاسیون، استاندارد محصول و شرایط بهره‌برداری بستگی دارد؛ بنابراین نمی‌توان یک حد عمومی را برای تمام روغن‌ها معیار قبولی یا رد دانست.

شاخص گرانروی روغن موتور چه ارتباطی با SAE دارد؟

برای بررسی ارتباط شاخص گرانروی روغن موتور با SAE، باید با معنی برخی از اعداد و نمادها آشنا شویم.

معنی عدد قبل از W

عدد قبل از W (مانند ۵ در 5W-30) بیانگر درجه زمستانی روغن است و بر اساس حدود آزمون‌های استارت سرد و پمپاژ سرد در دماهای مشخص تعیین می‌شود. درجه زمستانی کوچک‌تر معمولا برای دماهای پایین‌تر طراحی شده است.

معنی عدد بعد از W

عدد بعد از W (مانند ۳۰ در 5W-30) درجه گرانروی روغن در دمای بالا را نشان می‌دهد و بر اساس محدوده گرانروی سینماتیک در ۱۰۰ درجه سلسیوس و حداقل گرانروی HTHS تعیین می‌شود.

چرا 10W-40 به معنای VI=10 یا VI=40 نیست؟

VI یک عدد کاملا مجزا است که از محاسبه بر اساس KV40 و KV100 به‌دست می‌آید و هیچ‌گاه با اعداد درجه SAE برابر نیست. یک روغن 10W-40 می‌تواند VI=۱۳۰ یا VI=۱۵۰ داشته باشد. VI و گرید SAE دو مشخصه متفاوت‌اند و یکی مستقیما از دیگری به‌دست نمی‌آید. بااین‌حال، فرمولاسیون روغن‌های چنددرجه‌ای و استفاده از بهبوددهنده‌های شاخص گرانروی می‌تواند میان آن‌ها ارتباط عملی ایجاد کند.

آیا دو روغن با گرید SAE یکسان می‌توانند VI متفاوت داشته باشند؟

بله؛ زیرا گرید SAE و VI دو مشخصه متفاوت‌اند و فرمولاسیون، نوع روغن پایه و افزودنی‌ها می‌توانند باعث تفاوت شوند. دو روغن هر دو با درجه SAE 5W-30 می‌توانند یکی VI=۱۴۰ و دیگری VI=۱۶۰ داشته باشند.

چه عواملی شاخص گرانروی روغن را تغییر می‌دهند؟

برخی عوامل باعث تغییر شاخص گرانروی روغن می‌شوند که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

نوع و ساختار روغن پایه

روغن‌های پایه با ساختار مولکولی متفاوت، VIهای مختلفی دارند. روغن‌های پارافینیک VI بالاتری نسبت به روغن‌های نفتنیک دارند. روغن‌های سنتتیک (PAO، استرها) معمولا بالاترین VI را ارائه می‌دهند.

استفاده از بهبود دهنده شاخص گرانروی (VI Improver)

افزودنی‌های پلیمری مانند OCP (اولفین کوپلیمر) یا PMA (پلی‌متیل‌اکریلات) برای افزایش VI به روغن اضافه می‌شوند. اثر غلیظ‌کنندگی این پلیمرها با افزایش دما بیشتر می‌شود و در نتیجه، افت گرانروی روغن پایه در دماهای بالاتر تا حدی جبران می‌شود. عملکرد واقعی آن‌ها به ساختار پلیمر، روغن پایه و پایداری برشی فرمولاسیون وابسته است.

پایداری برشی افزودنی‌های پلیمری

پلیمرهای VI Improver تحت تنش برشی (مانند عبور از یاتاقان‌ها) دچار تخریب مکانیکی می‌شوند. این امر تخریب باعث کاهش دائمی VI می‌شود. پایداری برشی با شاخص SSI (Shear Stability Index) اندازه‌گیری می‌شود. هرچه SSI کمتر باشد، پایداری برشی بیشتر است.

اکسیداسیون و کارکرد روغن

اکسیداسیون روغن در حین کارکرد، ترکیبات قطبی و لجن تولید می‌کند که می‌تواند گرانروی را افزایش دهد و VI را تغییر دهد.

آلودگی یا اختلاط با روغن دیگر

ورود آلاینده‌ها (مانند سوخت، آب، ذرات) یا اختلاط با روغن دیگر می‌تواند KV40 و KV100 و در نتیجه VI محاسبه‌شده را به‌کلی تغییر دهد.

خطای اندازه‌گیری KV40 یا KV100

کوچک‌ترین خطا در اندازه‌گیری KV40 یا KV100 به‌ویژه در روغن‌های با VI بالا، می‌تواند تغییرات قابل‌توجهی در VI محاسبه‌شده ایجاد کند.

تغییر VI در روغن کارکرده را نباید به‌تنهایی به تخریب افزودنی نسبت داد. رقیق‌ شدن با سوخت، اکسیداسیون، آلودگی و خطای نمونه‌برداری نیز می‌توانند KV40 و KV100 و در نتیجه VI محاسبه‌ شده را تغییر دهند.

نکات عملی اندازه‌گیری برای محاسبه دقیق VI

دمای حمام را فقط از روی نمایشگر قضاوت نکنید. مهم‌ترین نکات اندازه‌گیری برای محاسبه دقیق VI عبارت‌اند از:

• حتما دما را با دماسنج مرجع کالیبره بررسی کنید.

• به یکنواختی دما در نقاط مختلف حمام توجه کنید.

• اطمینان حاصل کنید نمونه به تعادل حرارتی کامل رسیده است.

• آزمون را در دو دمای دقیق ۴۰ و ۱۰۰ درجه انجام دهید. انحراف حتی ۰.۱ درجه می‌تواند نتیجه را تغییر دهد.

ویسکومتر موئین مناسب انتخاب کنید

• اندازه و ثابت لوله باید با دامنه گرانروی نمونه متناسب باشد.

• ویسکومتر باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که زمان جریان در محدوده تعیین‌شده برای همان نوع لوله و روش آزمون قرار گیرد. در بسیاری از ویسکومترهای دستی مورد استفاده در ASTM D445، حداقل زمان جریان ۲۰۰ ثانیه است؛ اما ملاک نهایی، الزامات روش و گواهی ویسکومتر انتخاب‌شده است.

• از لوله کالیبره با ثابت ثبت‌شده استفاده کنید.

• برای نمونه‌های کدر یا تیره از ویسکومترهای مخصوص opaque liquids استفاده کنید.

نمونه را بدون حباب وارد لوله کنید

• پرکردن صحیح ویسکومتر بسیار مهم است.

• از ایجاد کف و حباب در نمونه جلوگیری کنید.

• نمونه را قبل از آزمون به‌خوبی همگن کنید.

• ذرات یا رسوبات را طبق روش آزمون کنترل کنید.

ویسکومتر باید کاملا تمیز و خشک باشد

باقی‌ماندن حلال، رطوبت یا نمونه قبلی می‌تواند زمان عبور و در نهایت VI را منحرف کند. شستشو با حلال مناسب و خشک‌کردن کامل با هوای فیلترشده ضروری است.

KV40 و KV100 باید متعلق به یک نمونه باشند

هرگز از داده دو نمونه یا دو بچ متفاوت برای محاسبه VI استفاده نکنید. حتی اختلاف جزئی در ترکیب نمونه می‌تواند نتیجه را غیرواقعی کند.

اختلاف تکرارها را با میانگین‌گیری پنهان نکنید

اگر تکرارپذیری پذیرفته نیست (اختلاف بیش از حد مجاز ASTM D445)، ابتدا موارد زیر را بررسی کنید:

• پایداری دما

• وجود حباب

• آلودگی لوله

• ثابت ویسکومتر

• دقت زمان‌سنجی

• آماده‌سازی نمونه

• تعادل حرارتی

واحد ورودی را کنترل کنید

هر دو مقدار KV40 و KV100 باید با واحد یکسان مانند mm²/s یا cSt وارد شوند. VI نیز واحد ندارد.

نتیجه‌گیری

شاخص گرانروی روغن، عددی ساده و بدون واحد است، اما رفتار دمایی روانکارها را نشان می‌دهد. اگر به‌دنبال تجهیزات دقیق و باکیفیت برای اندازه‌گیری گرانروی و محاسبه شاخص گرانروی روغن هستید، تیم متخصصان ما در نیک ابزار آزمای اروند، آماده ارائه بهترین راهکارها به شماست. محصولات نیک ابزار آزمای اروند با تکیه بر دانش فنی بومی و متناسب با الزامات آزمون‌های مربوط طراحی و ساخته می‌شوند. اگر برای انتخاب دستگاه مناسب بین مدل‌های مختلف نیاز به راهنمایی دارید، کارشناسان نیک ابزار آزما می‌توانند بر اساس نوع آزمون و نمونه شما پیشنهاد فنی ارائه دهند.

سؤالات متداول

آیا شاخص گرانروی بالاتر همیشه بهتر است؟

خیر؛ باید با کاربرد، گرید، فرمولاسیون و سایر آزمون‌های عملکردی بررسی شود. VI بالا در برخی کاربردها (مانند روغن‌های هیدرولیک با نیاز به پایداری دمایی) مزیت است، اما در برخی دیگر ممکن است با هزینه بالاتر یا پایداری برشی ضعیف‌تر همراه باشد.

شاخص گرانروی روغن واحد دارد؟

خیر، VI عددی بدون واحد است.

برای محاسبه VI چه اطلاعاتی لازم است؟

گرانروی سینماتیک همان نمونه در ۴۰ و ۱۰۰ درجه سلسیوس (KV40 و KV100).

آیا دستگاه مستقیما شاخص گرانروی را اندازه‌گیری می‌کند؟

در روش رایج، ابتدا KV40 و KV100 اندازه‌گیری و سپس VI طبق ASTM D2270 محاسبه می‌شود. دستگاه VI را مستقیماً اندازه‌گیری نمی‌کند.

تفاوت VI با SAE 10W-40 چیست؟

VI میزان حساسیت گرانروی به دماست؛ SAE 10W-40 یک درجه عملکردی روغن موتور است. این دو کاملاً متفاوتند.

آیا می‌توان VI را فقط با گرانروی ۴۰ درجه محاسبه کرد؟

خیر؛ برای روش ASTM D2270 به KV40 و KV100 نیاز است.

چرا عدد VI دو آزمایشگاه متفاوت می‌شود؟

اختلاف KV40 یا KV100 ناشی از کنترل دما، آماده‌سازی نمونه، نوع لوله، کالیبراسیون، حباب یا زمان‌سنجی می‌تواند نتیجه را تغییر دهد.